Measurements of forward charged-particle multiplicity and multiplicity dependence of forward J/ψ production in pp collisions with the ALICE experiment at LHC
Mesures de la multiplicité des particules chargées vers l’avant et de la dépendance de la production des J/ψ vers l’avant avec la multiplicité en collisions pp, avec l’expérience ALICE au LHC
Résumé
The ALICE experiment at the CERN LHC is primarily dedicated to the study of the Quark-Gluon Plasma, a state of matter in which quarks and gluons are no longer confined within hadrons. This state is produced in particle accelerators during ultra-relativistic heavy-ion collisions. In parallel, proton-proton collisions are used both as a reference for heavy-ion collisions and to understand various phenomena such as particle production mechanisms within the framework of Quantum ChromoDynamics (QCD). In this context the study of the production of heavy mesons such as the J/ψ is particularly interesting. This particle is a bound state of the charm quark c and the anti-charm quark ar{c}. Charm quarks are produced during semi-hard or hard parton-parton interactions, which can be quite accurately described by perturbative QCD. The hadronization of c- ar{c} pairs into J/ψ, on the other hand, is a non-perturbative process that requires a phenomenological description. Measuring J/ψ production as a function of charged particle multiplicity allows for a better understanding of Multiple Parton Interactions (MPI) and quarkonia production models. Results obtained with proton-proton collisions at sqrts = 13 TeV show a steeper than linear dependence between the production rate of forward J/ψ and the forward charged particle multiplicity. This result may indicate that a significant portion of J/ψ is produced by the recombination of charm quarks from two distinct parton interactions. This observation is consistent with results at mid-rapidity. Finally, this measurement challenges the hypothesis that forward J/ψ production depends less on multiplicity than mid-rapidity J/ψ production. The ALICE experiment was equipped with a new detector for the LHC data taking period called Run 3: the Muon Forward Tracker (MFT). This detector allows to perform detailed J/ψ measurements by separating J/ψ produced directly in the collision from those produced by the decay of B mesons. This manuscript presents the work done on implementing software tools to improve the quality of the data provided by the MFT. This work involves developing codes to verify and enhance detector performances during Run 3 data-taking at the LHC. This period, which began in 2022, is characterized by high interaction rates, making the association of a track with the collision from which it originated ambiguous. Indeed, the MFT time resolution does not allow differentiation of tracks originating from collisions less than 5 μs apart, while the nominal collision rate for proton-proton interactions leads to one collision every 2 μs. Several methods have been proposed to reduce collision association ambiguity, notably using the spatial position of collision vertices and matching the MFT with the fastest detector in ALICE (the FT0-C). During this study, it became necessary to time-align the MFT with other detectors. The time offset of the MFT was thus evaluated and corrected. Finally, results of forward charged particle multiplicity as a function of pseudorapidity are obtained. The corresponding measurements were carried out in proton-proton collisions at sqrts = 0.9 and 13.6 TeV using the MFT detector. This is one of the first measurements in the ALICE experiment with Run 3 data. The results are generally compatible with the hadronic generator PYTHIA8.
L’expérience ALICE au LHC du CERN est principalement dédiée à l’étude du Plasma de Quarks et Gluons, un état de la matière dans lequel les quarks et les gluons ne se trouvent plus confinés dans des hadrons. Cet état est produit en laboratoire en collisions ultra-relativistes d'ions lourds. Les collisions proton-proton, quant à elles, sont utilisées d'une part comme référence par rapport aux collisions d'ions lourds, mais aussi pour comprendre de nombreux phénomènes tels que les mécanismes de production de particules dans le cadre de la Chromodynamique Quantique (Quantum Chromo-Dynamics, QCD). Dans ce contexte, un sujet particulièrement intéressant est la production de mésons lourds tels que le J/ψ. Cette particule est un état lié du quark charm c et de l'antiquark ar{c}. Les quarks charmés sont produits lors des interactions parton-parton semi-dures ou dures, ces processus pouvant être assez précisément décrits par la QCD perturbative. L'hadronisation des paires c- ar{c} en J/ψ est au contraire un processus non perturbatif, qui nécessite une description phénoménologique. La mesure de la production du J/ψ en fonction de la multiplicité de particules chargées permet entre autres une meilleure compréhension des Interactions Partoniques Multiples (Multiple Parton Interactions, MPI), et des modèles de production des quarkonia. Les résultats obtenus pour des collisions proton-proton à sqrts = 13 TeV montrent une dépendance plus que linéaire entre le taux de production des J/ψ mesurés vers l’avant et la multiplicité des particules chargées vers l’avant. Ce résultat peut indiquer qu'une partie significative des J/ψ est produite par la recombinaison des quarks charmés provenant de deux interactions partoniques distinctes. Cette observation est en cohérence avec les observations à mi-rapidité. Enfin, cette mesure permet une remise en cause de l’hypothèse selon laquelle la production de J/ψ vers l’avant dépendrait moins de la multiplicité qu’une production de J/ψ à mi-rapidité. L'expérience ALICE a été équipée d'un nouveau détecteur pour la période de collecte des données du LHC appelée Run 3: Le tracker de muons vers l’avant (Muon Forward Tracker, MFT). Ce détecteur permet de réaliser des mesures de J/ψ plus poussées en séparant les J/ψ produits directement dans la collision de ceux produits par la désintégration des mésons B. Ce manuscrit présente les travaux réalisés sur l’implémentation d’outils software pour améliorer la qualité des données fournies par le trajectographe MFT. Ces travaux concernent le développement de codes pour vérifier et améliorer les performances du détecteur pendant la prise de données de Run 3 du LHC. Cette période qui a commencé en 2022 se déroule à hauts taux d’interaction, ce qui rend ambiguë l’association d’une trace à la collision dont elle est originaire. En effet, la résolution temporelle du MFT ne permet pas de différencier des traces provenant de collisions à moins de 5 μs d’intervalle, tandis que le taux de collision nominal des interactions proton-proton est d’une collision tous les 2 μs. Plusieurs méthodes ont été proposées pour réduire l'ambiguïté d'association, en utilisant notamment la position spatiale des vertex des collisions et en effectuant une correspondance entre le MFT et le détecteur le plus rapide d'ALICE (le FT0-C). Lors de cette étude, il est apparu nécessaire d’aligner temporellement le MFT avec les autres détecteurs. Le décalage temporel du MFT a donc été évalué et corrigé. Enfin, des résultats de multiplicité des particules chargées vers l’avant en fonction de la pseudorapidité sont obtenus. Les mesures correspondantes ont été réalisées en collisions proton-proton à sqrts = 0.9 et 13.6 TeV en utilisant le détecteur MFT. Il s’agit d'une des premières mesures dans l’expérience ALICE avec les données du Run 3. Les résultats obtenus sont en général compatibles avec le générateur de collisions hadroniques PYTHIA8.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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